Full Text

Введение На Ярегском нефтетитановом месторождении ведется добыча нефти, главной особенностью которой, кроме высокой плотности - 952 кг/м3, является ее исключительная вязкость - 16 000 МПа∙с. В связи с этим для извлечения залежи нефти применяется уникальная система разработки, при которой в продуктивный пласт закачивается перегретый пар - «термошахтный» способ добычи [1, 2]. За счет пористости пласта происходит равномерный его прогрев, вследствие чего снижается вязкость нефти и становится возможной ее добыча. Термошахтная технология, применяемая на Ярегском месторождении, реализована в основном благодаря следующим системам разработки [3, 4]. 1. Двухгоризонтная система разработки (рис. 1), при которой закачку пара ведут с надпластового горизонта, расположенного выше кровли на 10-30 м, через вертикальные и крутонаклонные нагнетательные скважины, а отбор нефти осуществляется из пологовосходящих добывающих скважин длиной до 300 м, пробуренных из расположенной в продуктивном пласте галереи. 2. Подземно-поверхностная система разработки [5], при которой горная выработка проходится в продуктивном пласте или ниже него, а добывающие скважины бурятся пологонаклонными и располагаются рядами (рис. 2). Между добывающими бурятся парораспределительные скважины, в которые поступает перегретый пар с поверхности. Существующие методы разработки месторождений высоковязкой нефти и природного битума позволяют извлечь из пластов не более 20-30 % от балансовых запасов. Опыт разработки Ярегского месторождения показал, что термошахтным способом из недр можно извлечь от 50 до 70 % углеводородного сырья [1]. Однако подземный способ добычи нефти, помимо высоких затрат пара на разогрев пласта (в среднем 2,7 т пара на 1 т нефти), имеет еще один существенный недостаток - значительные тепловыделения в горные выработки, в результате чего возникают две существенные проблемы: 1. Нарушаются санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих. 2. Снижается эффективность прогрева пласта в результате утечек тепла от горного массива, что приводит к необходимости использования дополнительного объема перегретого пара и, как следствие, дополнительным финансовым затратам на его (пара) подготовку. Существует несколько традиционных способов решения первой проблемы (нарушение санитарно-гигиенических условий труда в нефтешахте): - увеличение общего количества воздуха, подаваемого в шахту; - создание центральной холодильной станции на поверхности для охлаждения всего поступающего в шахту воздуха (станции кондиционирования); - использование холодильных машин в шахте на входе в уклонные блоки или в буровую галерею. Вышеприведенные мероприятия в условиях нефтешахты не способны обеспечить требуемого результата, и для их реализации необходимы значительные затраты электроэнергии - на работу главной вентиляторной установки (ГВУ), на работу системы кондиционирования воздуха и т.д. [6]. Кроме того, охлаждение воздуха, подаваемого в уклонные блоки нефтешахты, приведет к охлаждению горного массива, что, в свою очередь, снизит эффективность нефтедобычи. Ввиду того что устранить обе проблемы традиционными способами не представляется возможным, в настоящее время разрабатываются альтернативные способы решения. Например, в работе [7] предложено струю воздуха в буровой галерее охлаждать в теплообменном устройстве, конструкция которого специально разработана для этой цели [8]. В этом случае проблема, связанная с дополнительными финансовыми затратами на нагрев пласта, не решается. Кроме того, не доказана эффективность работы теплообменного устройства. В работе [9] предлагается выполнить частичную теплоизоляцию разогретой поверхности уклонного блока. Следует отметить, что теплоизоляция не сможет полностью обеспечить защиту от теплопотерь вследствие собственного прогрева, тем более что со временем она будет терять свои теплоизоляционные свойства [6]. К недостатку предложенного решения можно также отнести тот факт, что тепловое поле будет распространяться по горным выработкам за теплоизоляцией, т.е. воздух будет нагреваться за границами теплоизоляционного слоя. Кроме того, из-за стоимости материалов, обладающих требуемыми теплоизоляционными свойствами, а также необходимого их количества предложенный вариант будет нерационален с экономической точки зрения. Тепловыделения от горного массива не являются единственными. Также в уклонных блоках присутствуют тепловыделения от разогретых флюидов, пара и конденсата, поступающих через добывающие скважины, т.е. через нетеплоизолированные участки, составляющие 60-70 % от всего тепла, выделяемого в буровой галерее [10]. В приведенной работе не предусмотрены мероприятия для борьбы с данным тепловым излучением. В [11] предложено использовать радиационный кондиционер для ускоренного формирования теплоуравнивающих рубашек вокруг горных выработок. Однако подобный способ потребует значительных финансовых затрат на кондиционирование воздуха, в результате чего снизится температура пласта, что повлечет за собой снижение нефтедобычи. В связи с вышеизложенным требуется разработка способа, при котором в горных выработках нефтешахты будут созданы необходимые для нормальной работы санитарно-гигиенические условия труда, а также, ввиду нецелесообразности использования предложенных в настоящее время способов теплоизоляции и ее высокой стоимости, максимально использовано выработанное от горного массива тепло. Одним из способов решения изложенной проблемы является модернизация существующей и/или разработка новой схемы проветривания уклонного блока и нефтешахты в целом. Способ проветривания уклонного блока нефтешахты При разработке схемы проветривания уклонного блока нефтешахты можно максимально извлечь выгоду от негативного явления - тепловыделений в горные выработки. Ввиду того что по закону конвективного теплообмена теплый воздух (более легкий) стремится подняться вверх, а более холодный (более тяжелый) - опуститься вниз, между выработками нефтешахты будет возникать перепад гидростатических давлений, который носит название «тепловая депрессия» («естественная тяга») [12-15]. Учет действия тепловых депрессий при разработке схемы проветривания выемочного участка калийного рудника, аэродинамические параметры выработок которого близки к параметрам выработок нефтешахты, позволил в значительной степени улучшить вентиляционную обстановку и повысить энергоэффективность проветривания [16, 17]. На основе опыта разработки схем проветривания выемочного участка калийного рудника в работе [18] была предложена схема проветривания уклонного блока нефтешахты, представленная на рис. 3. Основная идея способа заключается в использовании тепла, исходящего от разогретого пласта, для проветривания уклонного блока, в который свежий воздух подается по ходку 1, а удаляется по вентиляционной скважине 3. Возникающая в процессе добычи, за счет разности температур на поверхности и в буровой галерее 2, естественная тяга he будет направлять нагретый отработанный воздух на поверхность. Для улучшения условий проветривания на поверхности в устье вентиляционной скважины (на трубе 8) устанавливается источник тяги (вентилятор или дефлектор) 9. От поступления нагретого воздуха в горные выработки предохраняет воздушный тамбур из перемычек 4, расположенный в уклоне 6. С точки зрения энергоэффективности и максимального использования тепловыделений от горного массива представленный способ, по сравнению с существующими в настоящее время вариантами, является наиболее эффективным. Однако настоящая схема проветривания обладает следующим существенным недостатком. Горнорабочим необходимо передвигаться по всем подземным выработкам, т.е. свежий воздух необходимо подавать во все участки нефтешахты. Тем более в случае возникновения нештатной ситуации покидать нефтешахту необходимо по вентиляционным выработкам (выработки, куда поступает исходящий из уклонных блоков воздух), в которые в приведенном способе подача воздуха не предусмотрена. В связи с этим с целью усовершенствования предложенного способа проветривания и обеспечения всех рабочих зон требуемым количеством воздуха разработан новый способ проветривания уклонного блока и нефтешахты в целом [19], который представлен на рис. 4. Часть свежего потока воздуха 1, имеющего температуру пород, проходит по подземным горным выработкам и подается в ходок 4 уклонного блока нефтешахты, затем поступает в буровую галерею 11, где он нагревается и становится более легким. Из-за разности температур свежего воздуха 1, нагретого воздуха 2, выходящего из буровой галереи 11, и наружного воздуха в результате действия естественной тяги he поток воздуха направляется на поверхность нефтешахты через вентиляционную скважину 15. Для поддержания устойчивой направленности потока воздуха по вентиляционной скважине она оборудуется на поверхности источниками тяги в виде дефлектора 13 и поверхностного вентилятора 14. Для предотвращения попадания нагретого воздуха 2 в уклонный блок в нем установлен воздушный тамбур из двух перемычек 10. Для прохода горнорабочих из буровой галереи в уклонный блок и обратно в перемычках установлены двери 9. Преимущество предложенного способа заключается в том, что в расположенную за воздушным тамбуром зону, а следовательно, и исходящие вентиляционные выработки будет поступать свежий воздух за счет работы вентилятора местного проветривания (ВМП) 17. С целью обеспечения энерго- и ресурсосберегающего режима проветривания уклонного блока процесс распределения воздушных потоков необходимо автоматизировать. Информация с датчиков расхода воздуха (18, 20), датчиков давления и температуры либо с плотномеров (19, 21) поступает на средний уровень автоматизации - программируемый микроконтроллер (PLC). В зависимости от объемного расхода свежего воздуха, требуемого для проветривания буровой галереи, и необходимых санитарно-гигиенических условий труда в ней (определяется датчиками 19, 21) в PLC выбирается режим работы ВМП и поверхностного вентилятора 14 (см. рис. 4). Когда для проветривания уклонного блока окажется достаточно депрессии, развиваемой естественной тягой he, поверхностный вентилятор отключается. Объемный расход воздуха (производительность ВМП) определяется датчиком расхода воздуха 20, и требуемый режим поддерживается за счет управляемого электропривода. Таким образом, с увеличением температуры в буровой галерее будет расти значение естественной тяги he, т.е. без дополнительных затрат электроэнергии в предлагаемой схеме будут улучшаться условия проветривания, в результате чего температура в буровой галерее будет снижаться. В связи с этим система является саморегулирующей по параметру температуры в рабочей зоне. Управление проветриванием нефтешахты в целом В связи с тем что согласно [20] ГВУ является одним из основных потребителей электроэнергии (порядка 30 % от всего энергопотребления горного предприятия), для повышения энергоэффективности проветривания, но с учетом обеспечения требуемых условий безопасности в работе [21] предложено автоматизировать процесс проветривания подземного горно-добывающего предприятия. Для предложенного способа раздельного проветривания уклонного блока и нефтешахты в целом принцип работы системы автоматизации проветривания будет аналогичен принципу работы, описанному в [21]. Информация с датчиков температуры, давления (или плотномеров) и расхода воздуха 14, 15, расположенных в устье 12, околоствольных дворах 13, на главных исходящих вентиляционных выработках 14 и в канале ГВУ 6 (рис. 5), будет поступать на PLC, в котором будет производиться расчет общешахтной естественной тяги, действующей между шахтными стволами. Отличительная особенность способа заключается в том, что, помимо информации с вышеупомянутых датчиков, в микроконтроллер будет поступать информация с датчиков из всех уклонных блоков, а исполнительными устройствами (помимо электропривода ГВУ) будут электроприводы ВМП и поверхностных вентиляторов. Управление работой ВМП и поверхностных вентиляторов может быть реализовано посредством компенсирующего падения напряжения на активном сопротивлении статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором как по отклонению, так и по возмущению, со скалярной IR-компенсацией (рис. 6) [22, 23]. В зависимости от значения естественной тяги, возникающей между стволами, величину которой с требуемой степенью вероятности можно определить по расчетным зависимостям [14, 24], необходимо регулировать режим работы ГВУ. При действии положительной общешахтной естественной тяги можно добиться существенной экономии электроэнергии, потребляемой ГВУ [25]. Выводы Таким образом, представленный в настоящей статье способ раздельного проветривания уклонного блока и нефтешахты в целом по сравнению с существующими имеет следующие преимущества: 1. Предлагается использовать тепловое излучение от разогретого пласта в виде основного источника возникновения тепловой депрессии (естественной тяги) между горными выработками, в то время как в существующих способах предпринимаются меры по снижению температуры в рабочей зоне. 2. Автоматизация процесса совместной работы ВМП, поверхностных вентиляторов всех уклонных блоков и ГВУ позволит повысить энергоэффективность проветривания, т.е. обеспечить все зоны нефтешахты свежим воздухом только в необходимом объеме. Кроме того, в случае, когда действия естественной тяги будет достаточно для проветривания отдельного уклонного блока, поверхностный вентилятор в нем отключается и проветривание осуществляется только за счет конвективного теплообмена (усиливается дефлектором). 3. Использование при проветривании уклонного блока ВМП позволяет обеспечить свежим ненагретым воздухом исходящие вентиляционные выработки, что позволит находиться в них горнорабочим и, в случае возникновения нештатной ситуации (например пожара), покинуть по ним нефтешахту. 4. Улучшение санитарно-гигиенических условий труда в буровой галерее происходит естественным путем без дополнительных затрат электроэнергии. При повышении температуры в рабочей зоне увеличивается естественная тяга he, в результате чего в уклонный блок начинает поступать большее количество свежего воздуха невысокой (порядка 9-10 °С) температуры. В итоге температура воздуха в буровой галерее начнет снижаться, что приведет к снижению естественной тяги и, как следствие, снижению объема поступающего свежего охлаждающего воздуха. Таким образом, система проветривания будет саморегулирующей по температуре в ней в зависимости от санитарно-гигиенических условий труда в рабочей зоне без дополнительных затрат электроэнергии.

About the authors

Aleksandr V. Nikolaev

Author for correspondence.
Email: nikolaev0811@mail.ru
29 Komsomolskii av., Perm, 614990, Russian Federation

PhD in Engineering, Associate Professor at the Department of Electrification and Automation of Mine Enterprises

References

Statistics

Views

Abstract - 207

PDF (Russian) - 58

PDF (English) - 38

Refbacks

• There are currently no refbacks.